5降雨对均质各向同性土质边坡稳定性的影响-樊阅

降雨对均质各向同性土质边坡稳定性的影响*
樊有维1，李春忠1，金雪莲1，章羽 2，马云桥3
（1、南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏南京 210005）
（2、东南大学土木学院，江苏南京 210006）
（3、南京秦淮河建设开发有限公司，南京 210010）
[摘要] 本文采用有限元法分析了非饱和均质各向同性土坡中的降雨渗透过程和土水相互作用的变化过程，使用修改的Mohr-Coulomb破坏准则考虑非饱和土的抗剪强度，根据基质吸力变化引起抗破坏强度变化的原理，寻找最危险的滑移面位置，计算最小稳定安全系数，研究了土坡遭受降雨渗透时的安全稳定问题。

实例分析结果表明，该法在评判降雨时非饱和土坡的稳定性方面是合理可行的。

[关键词]边坡稳定降雨渗透非饱和土
The Effect of Rainfall on Isotropic Slope Stability
Fan You-wei 1，Li Chun-zhong 1，Jin Xue-lian1，Zhang Yu 2， Ma Yun-qiao3
(1.Nanjing Institute of Surveying, Mapping & Geotechnical Investigation, Co. Ltd., Nanjing 210005 )
(2.College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210006)
(3. Nanjing QinHuai River Construction and Development Co. Ltd., Nanjing 210010)
[Abstract] This paper presents a procedure for calculating the safety factor for an unsaturated and isotropic slope suffering from rainfall infiltration. The process of infiltration into a slope due to rainfall and its effect on soil slope behavior were examined using a one-dimensional finite element flow deformation coupled analysis program. The modified Mohr-Coulomb failure criterion was adopted for unsaturated soil strength to consider variations in strength due to the presence of matric suction. A safety factor was calculated based on the smoothed stress field obtained from finite element analysis, and an optimization technique was used to search for a critical slip surface. Some numerical examples are analyzed. The results illustrate a typical process of infiltration into unsaturated soil slopes and the effect of hydraulic conductivity on slope stability during rain-induced infiltration.
[Keywords] slope stability rainfall infiltration unsaturated soils
0.前言
高填方的公路和铁路路堤，经常在大雨后产生滑坡；江河防洪堤也常在较长期高水位后，水位降落时产生滑坡；土石坝常由于水库水位持续降落而造成上游坝坡滑坡。

通常这些滑坡最主要是由(非稳定)渗透水流作用引起的[1]。

因此有必要分析非稳定渗流对土坡稳定的影响[2]。

当前非稳定渗流对土坡稳定的影响主要有两类。

一类是由于坡外水位变化引起相当长的一段时间内土坡内饱和不稳定渗流的发生，从而引起渗流力，影响土坡稳定性。

另一类是由于降水或蒸发
*樊有维（1962-），男，研究员级高级工程师，硕士。

长期从事岩土工程方面的设计研究工作。

Email: youwei-f@
引起坡体非饱和渗流，从而影响土坡稳定性。

在不饱和的永久土和填土中的边坡失稳越来越引起世界各国的重视，滑坡的原因很多，而其中由于降雨引起的破坏是其中最普遍的一种。

雨水的入渗升高地下水的水位，导致孔隙水压力的增加或土基质吸力的减少。

从而导致了滑移面处的土的抗剪强度的降低，最终产生土坡失稳。

本文采用数值分析的方法对降雨与边坡稳定的关系进行分析，目的在于了解降雨诱发边坡失稳的规律，并掌握各种影响因素所起作用的大小。

1．入渗对土边坡稳定性影响的数值分析
本次数值分析采用一维垂直入渗模型[3]，在瞬态渗流场分析的基础上，采用极限平衡法，根据抗剪强度与饱和度的经验关系来研究地质条件和降雨特征对边坡稳定性的影响，分析中假定导水率和扩散度均为常量。

基本分析思路为，根据渗流分析确定的孔隙水压力分布情况，确定坡体内应力场的分布规律，同时把渗流分析中得到的地下水位作为极限平衡分析中的渗流情况的输入参数，以考虑地下水位的升降对边坡稳定的影响。

地下水位以下按饱和土强度参数取值，地下水位以上根据非饱和土强度公式确定。

针对不考虑裂隙情况下的渗流场分布，采用Bishop 圆弧滑动法研究了土边坡的稳定性问题。

为了能够清晰的了解入渗对土边坡稳定性影响，本文采用国际流行的分析边坡渗透的软件Geo-slope 5，seep/w 来分析影响过程。

2. 均质各向同性土坡模型的稳定分析
为了分析问题的方便，选取图1所示的简单土坡进行数值分析。

2.1土坡模型的边界条件
1、土坡表面及斜坡处，取为流量边界或定水头边界。

程序运行时，自动判断降雨强度与土体渗透性的关系。

如果雨强小于表层土体渗透性，按流量边界处理，大小为降雨强度；如果雨强大于表层土体渗透性，一部分雨水沿坡面流失，会在坡面形成一薄层水膜，此时可按定水头边界处理。

由于水膜很薄，计算中取水头值等于地表高程。

2、模型两侧、地下水位以下为定水头边界条件，地下水位以上按零流量边界处理。

3、模型底面为不透水边界。

初始条件为：地下水位距坡顶10.0 m ，距坡脚0 m ，地下水位以上土的吸力成线性分布。

不考虑蒸发的情况。

2.2 土水之间的关系(见图2)
图1有限元模型简图 图2 土的基质吸力与体积含水率的关系
Suction
1e-006
0.00010.0111001e+0041e+006
V o l. W a t e r C o n t e n t (x 0
.001)
2.3 数值分析中土体参数
模型采用均质淤泥质粉质粘土，该土质的物理性质参数如下表1：
表1 土体物理参数
直剪（固快） 压缩性(MPa)
渗透系数(×10-6)
（cm/s ） w （%）
γ （kN/m 3）
n
c(kPa)
ϕ（度）
E S1-2 K V
K H
37.4 17.9 0.51 8.4 26.7 6.2
98 98
2.4计算结果分析
观察两种不同的降雨情况，即不同的水力传导率对土坡的影响，这两种水力传导率值分别是K ws
＝5×10－6和K ws ＝5×10－
7。

图3反映了图1 A 、B 两点的土中孔隙水吸力随时间的变化规律，A 点显示了土中孔隙水吸力随着渗透的时间推移降低，雨量大的情况土基质吸力降低较快。

B 点在两种的雨量的情况下，基质吸力降低缓慢，降低情况基本一致。

这是因为当观察点距坡面越近，容易受到降雨的影响，土中孔隙水吸力降低较快。

降雨量大时，土孔隙水压力更容易受降雨的影响而改变。

内部不易受降雨的影响。

(a) 在A 点上
基质吸力（k p a ）
时间（t
）
(b) 在B 点上
时间（t ）基质吸力（k p a ）
图3 均质各向同性土坡模型中A 、B 孔隙水吸力随时间的变化
从图4可以得出，在两种降雨情况中，离坡顶有一段的土的孔隙水压力不变，下部有一段土孔隙水压力随渗透时间而增加，在小雨量时反而增加较快，这是因为雨强大于土体表层渗透系数，大部分雨水形成地表径流流走，所以只有雨量大时，土的孔隙水压力增长反而小。

孔隙水压力p （k p a ）
深度（m ）
孔隙水压力p （k p a ）
深度（m ）
（a ）K ws ＝5×10－7
（b ）K ws ＝5×10－6
图4均质各向同性土坡模型中孔隙水压力在CD 线上沿深度的变化
这种情况可以从在72小时后土坡的整体体积含水率变化和渗透系数的变化看到，如图5，6。

由于含水量与土的孔隙水压力和渗透系数有关，所以可以知道，在降雨时在72小时内土坡内受降雨影响较小。

（a ） 初始状态 （b ） K ws ＝5×10－7
ws 图5 均质各向同性土坡模型中的体积含水率的分布（72小时后）
（a ） 初始状态 （b ） K ws ＝5×10－7
ws 图6 均质各向同性土坡模型中的渗透系数的分布的变化（72小时后）
48小时后 72小时后
K ws =5×10-7传导后最小安全系数所在圆弧
12小时后 24小时后
48小时后 72小时后
图8 均质各向同性土坡模型中水的传导率K ws =5×10-6传导后最小安全系数所在圆弧
安全稳定系数
渗透时间t(d)
图9在两种降雨量情况下的土坡稳定安全系数随时间的变化
从图7，8，9显示的土坡稳定分析的结果可以看出，雨水入渗增加了土体孔隙水压力，减少了土坡的稳定安全系数，滑移面越来越接近土坡边面，并且当滑移面接近坡体表面时，稳定安全系数降低越明显。

这是由于雨水的入渗降低了孔隙中的基质吸力，基质吸力影响着土的剪切强度，所以降低了土坡的稳定性。

又由上面的分析，雨水入渗对剪切强度影响在表面相对内部明显，所以有可能在表层发生浅层滑移，并且在降雨过程中，随着雨水入渗，边坡土内部吸力降低，强度减小，边坡整体稳定安全系数逐渐下降。

但是土中也反映了大降雨量的安全系数反而不明显，这是因为大降雨量的强度大于土自身的渗透系数，容易形成水膜阻碍了渗透的进行。

3.小结
本文通过对降雨过程中雨水在土体中入渗规律的研究，增进了水与非饱和土相互作用机理的认识，在此基础上对降雨时土坡稳定性进行了分析。

算例分析表明，降雨中的土坡稳定性与土本身的渗透系数有关，也就是存在一临界降雨量。

当降雨量大于该值时，土坡反而趋于稳定，而降雨量小于该值时，随着降雨量的增加土坡会更快的趋于不稳定。

参考文献
[1]毛昶熙等，关于“渗流作用下坝坡稳定有限单元法分析”一文的终结讨论[Ｊ]，岩土工程学报，1984,6(5):96～100.
[2]毛昶熙，李吉庆，土坡渗流整体稳定性分析与控制[Ｊ]，人民长江，1990,(12).
[3] Lumb P B. Effects of rain storms on slope stability[A]. In：Proc. of Sym. on Hong Kong Soi ls[C]. Hong Kong：[s. n.]，1962，73～87。